【專家視角】西南石油大學(xué)SM&T｜一種寬 pH 耐受且可降解的生物炭復(fù)合材料

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針對磺胺類抗生素過度使用帶來的環(huán)境風(fēng)險，開發(fā)綠色高效廢水處理技術(shù)具有重要意義。本研究提出一種創(chuàng)新的“以廢治廢”策略：以廢棄核桃殼為原料通過熱解制備生物炭，進而通過生物炭輔助的雙網(wǎng)絡(luò)組裝工藝構(gòu)建三維滲透性海藻酸鈉-殼聚糖復(fù)合水凝膠珠（OSA/CS@SNBC），并首次將其應(yīng)用于磺胺類抗生素的高效去除。單因素實驗表明，該復(fù)合材料對磺胺類抗生素的去除率高達99%，且在寬pH范圍內(nèi)保持良好吸附性能。吸附過程在100分鐘內(nèi)達到平衡，符合準二級動力學(xué)模型和Langmuir等溫線模型，對磺胺二甲嘧啶、磺胺甲噁唑和磺胺嘧啶的最大吸附容量分別達到513.61 mg/g、528.12 mg/g和392.42 mg/g。熱力學(xué)分析顯示吸附過程為自發(fā)（ΔG < 0）、吸熱（ΔH > 0）且熵增（ΔS > 0）的反應(yīng)，表明升溫有利于磺胺類抗生素的去除。協(xié)同吸附實驗發(fā)現(xiàn)，低濃度Cu2?可通過橋接作用增強磺胺二甲嘧啶的吸附。值得注意的是，OSA/CS@SNBC對多種污染物也表現(xiàn)出優(yōu)異的去除性能，并具備良好的生物降解性。最后，結(jié)合FTIR、XPS和DFT分析進一步闡明了其吸附機理。這種綠色合成策略為開發(fā)高效環(huán)保的水處理材料提供了新的思路。

圖解

圖 1.OSA/CS@SNBC 的合成過程

圖 2.(a) BC、(b) SNBC 和 (c) OSA/CS@SNBC 的掃描電鏡圖像。(d) BC、SNBC 和 OSA/CS@SNBC 的紅外光譜圖。(e) 各步材料的 TG 曲線及 OSA/CS@SNBC 的 DTG 曲線。(f) C1s、(g) N1s、(h) O1s 和 (i) S2p 的高分辨率 XPS 能譜圖。

圖3.(a-c) SMZ、SMX和SFZ的吸附動力學(xué)模型。(d) 顆粒內(nèi)擴散模型。(e) 液膜擴散模型。(f) 三種抗生素吸附容量隨接觸時間的變化。(g-i) SMZ、SMX、SFZ的Langmuir等溫吸附模型。(j-l) SMZ、SMX、SFZ的Freundlich等溫吸附模型。

圖4.(a) 幾何構(gòu)型優(yōu)化。(b) 各分子的靜電勢圖。(c) 海藻酸鈉與SMZ、SMX、SFZ的吸附能。(d) OSA/CS@SNBC對SMZ、SMX、SFZ的吸附能。

圖5.吸附機理示意圖

結(jié)論

本研究成功構(gòu)建了一種以廢棄核桃殼熱解生物炭為結(jié)構(gòu)骨架的新型雙網(wǎng)絡(luò)凝膠體系（OSA/CS@SNBC），驗證了利用廢棄資源開發(fā)高效吸附劑的可行性。該材料對真實水樣中的磺胺類抗生素表現(xiàn)出有效的去除能力，這歸因于生物炭與海藻酸鹽-殼聚糖網(wǎng)絡(luò)之間的互穿與協(xié)同作用。FTIR和XPS證實生物炭表面成功實現(xiàn)了磺化與氨基修飾，驗證了吸附劑的合成。SEM圖像顯示OSA/CS@SNBC具有明顯的孔隙結(jié)構(gòu)，表明雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供了豐富的潛在吸附位點。批量吸附實驗表明，該材料在寬pH范圍（pH=3–9）內(nèi)具有優(yōu)異的磺胺類抗生素去除效率及良好的耐鹽性。模型擬合表明，磺胺類抗生素的吸附遵循準二級化學(xué)吸附和Langmuir單層吸附模型，在318 K下對SMZ、SMX和SFZ的最大吸附容量分別達到513.61 mg/g、528.12 mg/g和392.42 mg/g。值得注意的是，響應(yīng)面法確定的最佳吸附條件為pH 3.880、溫度31.934 °C、OSA/CS@SNBC投加量13.869 mg。共吸附研究表明，低濃度Cu2?作為橋接中心形成SMZ-Cu2?絡(luò)合物，協(xié)同促進SMZ的去除，而高濃度則產(chǎn)生拮抗作用。OSA/CS@SNBC在六個循環(huán)周期內(nèi)保持優(yōu)異的吸附性能，表明材料結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性。同時，通過FTIR、XPS和DFT計算等綜合表征技術(shù)揭示，關(guān)鍵的吸附機理為π-π電子供體-受體相互作用、氫鍵、靜電相互作用和孔隙填充。綜上所述，該雙網(wǎng)絡(luò)凝膠體系通過綠色設(shè)計策略實現(xiàn)了協(xié)同優(yōu)化，為開發(fā)高效、穩(wěn)定、環(huán)境友好的吸附劑提供了新范式，展現(xiàn)了在復(fù)雜水基質(zhì)中深度凈化的應(yīng)用潛力，并為可持續(xù)廢水處理提供了解決方案。

文章來源：生物質(zhì)炭材料